DIS實(shí)驗(yàn)用于高中物理探究式教學(xué)的實(shí)證研究

蔡福珍

摘 要：DIS實(shí)驗(yàn)用于高中物理探究式教學(xué)，不僅成為信息技術(shù)與物理課程整合、教育手段現(xiàn)代化的一個(gè)新的突破口，而且對(duì)于物理教學(xué)方式和學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，對(duì)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)與實(shí)踐能力的培養(yǎng)起到了重要的作用。本文結(jié)合教學(xué)案例，闡述了DIS實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性，并就DIS實(shí)驗(yàn)與高中物理探究式教學(xué)相結(jié)合提出幾點(diǎn)反思。

關(guān)鍵詞：DIS實(shí)驗(yàn)；高中物理；探究式教學(xué)；實(shí)證研究

《課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，物理課程必須與信息技術(shù)整合，構(gòu)筑信息平臺(tái)，建立數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。物理教材要適應(yīng)信息時(shí)代的變革，整合物理教學(xué)與信息技術(shù)，及時(shí)構(gòu)建信息技術(shù)平臺(tái)。中學(xué)物理課堂中DIS實(shí)驗(yàn)與探究式教學(xué)的結(jié)合，是指在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生運(yùn)用學(xué)過(guò)的物理知識(shí)，針對(duì)研究課題提出假設(shè)，設(shè)計(jì)DIS實(shí)驗(yàn)方案，用DIS實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，歸納出物理概念或物理規(guī)律，而且在DIS實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用探究式教學(xué)方式改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案、分析實(shí)驗(yàn)誤差、拓展生成問(wèn)題等 [1 ]。

1 什么是DIS實(shí)驗(yàn)？

DIS是Digital Information System英語(yǔ)單詞的簡(jiǎn)稱，即是“數(shù)字化信息系統(tǒng)”的簡(jiǎn)稱，DIS的核心組成元件為傳感器和數(shù)據(jù)采集器，因此，DIS是一套基于傳感器技術(shù)的信息系統(tǒng)。DIS實(shí)驗(yàn)是指運(yùn)用數(shù)字化信息技術(shù)手段的實(shí)驗(yàn)，由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、實(shí)驗(yàn)軟件、計(jì)算機(jī)以及實(shí)驗(yàn)附件構(gòu)成。

2 DIS實(shí)驗(yàn)用于探究式教學(xué)的優(yōu)越性

2.1 具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能， 利于學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)探究需要人工測(cè)量、讀取并記錄數(shù)據(jù)，占去了大部分時(shí)間，導(dǎo)致課堂上學(xué)生自主時(shí)間太少，沒(méi)有足夠的時(shí)間讓學(xué)生充分自由表達(dá)、質(zhì)疑和提問(wèn)。而DIS實(shí)驗(yàn)利用傳感器和數(shù)據(jù)采集器代替人眼讀取數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)軟件取代紙筆方式記錄數(shù)據(jù)，通過(guò)相應(yīng)的軟件對(duì)探測(cè)到的信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的物理量的類(lèi)型和數(shù)值。由于DIS實(shí)驗(yàn)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，學(xué)生可以從讀記數(shù)據(jù)和圖線描繪等繁瑣費(fèi)時(shí)的簡(jiǎn)單勞動(dòng)中解放出來(lái)，將有更多的時(shí)間設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案深入探究，也會(huì)有更多時(shí)間進(jìn)行廣泛的體驗(yàn)、合作、交流，從而獲得知識(shí)、技能、情感與態(tài)度的發(fā)展 [1 ]，特別是獲得探究精神和創(chuàng)新能力的發(fā)展，大大改變了學(xué)生學(xué)習(xí)方式。因此，運(yùn)用DIS有利于優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)方式，是實(shí)施探究式教學(xué)的重要工具。

[案例1]探究共點(diǎn)力作用下物體的平衡條件

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，將木板放在水平面上鋪上白紙，采用三個(gè)彈簧稱套上三根細(xì)繩互成角度的拉。以繩子的結(jié)點(diǎn)為受力對(duì)象，用彈簧稱測(cè)拉力大小，利用結(jié)點(diǎn)和繩子定拉力方向。若其中兩個(gè)拉力的合力與第三個(gè)力能等值反向，則說(shuō)明合力為0。但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)中不僅要讀數(shù)，記錄數(shù)據(jù)，還要作力的圖示，不僅偶然誤差較大，還要花費(fèi)較多時(shí)間。教師可介紹一種新的實(shí)驗(yàn)儀器——力傳感器，如圖1所示。用兩個(gè)傳感器取代彈簧稱通過(guò)細(xì)繩吊起一砝碼，研究對(duì)象仍然是結(jié)點(diǎn)，且結(jié)點(diǎn)在圓盤(pán)的圓心。刻度盤(pán)能很好地確定兩細(xì)繩的拉力方向，通過(guò)移動(dòng)兩根桿可改變兩拉力間的夾角。傳感器取代了彈簧稱可以實(shí)時(shí)測(cè)拉力大小，不僅提高實(shí)驗(yàn)的精確度，還節(jié)省時(shí)間。兩個(gè)傳感器（F1、F2）對(duì)應(yīng)連接到采集器接口A、B，采集器連接到電腦USB接口即可，操作簡(jiǎn)單方便。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)事先設(shè)定以圖表形式顯示，并自動(dòng)畫(huà)圖。通過(guò)圖像，學(xué)生容易發(fā)現(xiàn)規(guī)律。在這種情況下，在數(shù)據(jù)處理上有明確的處理形式的機(jī)械性工作實(shí)際上是由計(jì)算機(jī)來(lái)自動(dòng)完成的，這樣學(xué)生可將更多的精力投注在分析數(shù)據(jù)之間以及數(shù)據(jù)背后更深入的物理關(guān)系上。

2.2 增加了探究實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度，利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在測(cè)力、時(shí)間、電壓、電流等物理量時(shí)，不僅存在讀數(shù)誤差，而且可讀性較差，尤其在儀器指針不穩(wěn)定時(shí)無(wú)法讀數(shù)，或是在很短時(shí)間內(nèi)來(lái)不及讀數(shù)。但是DIS實(shí)驗(yàn)克服了這個(gè)缺陷，它準(zhǔn)確且“實(shí)時(shí)”的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加上強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，能讓學(xué)生快速地發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

[案例2]DIS探究作用力與反作用力的關(guān)系

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，即使用兩個(gè)同規(guī)格的彈簧稱水平對(duì)拉，靜止時(shí)也會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)彈簧稱的讀數(shù)不同的情況。這里面不僅有讀數(shù)誤差，彈簧也很容易與外殼摩擦從而加大誤差，而且這個(gè)實(shí)驗(yàn)在探究非靜止?fàn)顟B(tài)下作用力與反作用力的關(guān)系時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)操作上的困難。在這種情況下，學(xué)生是很難發(fā)現(xiàn)作用力與反作用力的關(guān)系。DIS實(shí)驗(yàn)中，可將兩只力傳感器的掛鉤鉤在一起代替彈簧向相反方向拉動(dòng)，減少了偶然誤差。力傳感器可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速采集數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了測(cè)量空白，學(xué)生可監(jiān)測(cè)每一瞬時(shí)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的軟件設(shè)定后將數(shù)據(jù)擬合為圖形。在觀察和分析兩個(gè)力傳感器間的相互作用力隨時(shí)間變化的曲線關(guān)系時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)論力的大小如何變化，顯示出的兩個(gè)圖形始終完全對(duì)稱，這樣很容易就能得到牛頓第三定律的結(jié)論。為了全面研究相互作用力的關(guān)系，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生思考“運(yùn)動(dòng)”中的兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力是否同樣遵守牛頓第三定律。比如把兩個(gè)力傳感器的掛鉤對(duì)拉，把一個(gè)力傳感器固定在運(yùn)動(dòng)的物體上 [1 ]，另一只握在手中。在這里DIS實(shí)驗(yàn)不是簡(jiǎn)單地探究一種現(xiàn)象，而有了深一步且全面的思考，利于學(xué)生透過(guò)物理現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)物理本質(zhì)與規(guī)律。

2.3 增加了探究實(shí)驗(yàn)的深度，利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣

DlS實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確快捷地處理繁瑣數(shù)據(jù)，捕捉瞬時(shí)量，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程可視，微觀現(xiàn)象直觀化，暫態(tài)現(xiàn)象“凝固”，能使原來(lái)不容易實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)或者無(wú)法定量分析的實(shí)驗(yàn)順利完成，增加了探究實(shí)驗(yàn)的深度，不僅開(kāi)拓了學(xué)生的視野激發(fā)他們學(xué)習(xí)物理的興趣，而且極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，從而提高了教學(xué)效率。

[案例3]探究向心力大小的影響因素

這節(jié)課可先借助傳統(tǒng)的向心力演示器創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生利用控制變量法猜想向心力大小的影響因素，讓學(xué)生先有親身體驗(yàn)，獲得感性認(rèn)識(shí)。再運(yùn)用DlSlab向心力實(shí)驗(yàn)器通過(guò)力傳感器測(cè)向心力大小，通過(guò)光電門(mén)測(cè)量角速度，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)擬合成圖形。借助DIS實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生從問(wèn)題的感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)的層面，從定性了解上升到定量研究，從而增加了探究實(shí)驗(yàn)的深度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

3 關(guān)于DIS實(shí)驗(yàn)與高中物理探究式教學(xué)相結(jié)合的幾點(diǎn)反思

將DIS實(shí)驗(yàn)與探究式教學(xué)結(jié)合是為了最大程度發(fā)揮二者的作用，讓它們成為常態(tài)， 增強(qiáng)學(xué)生的探究能力、創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。DIS實(shí)驗(yàn)與高中物理探究式教學(xué)相結(jié)合一方面可以在探究式教學(xué)時(shí)運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)優(yōu)化探究式教學(xué)的效果，另一方面可以在進(jìn)行DIS實(shí)驗(yàn)時(shí)運(yùn)用探究式教學(xué)優(yōu)化DIS實(shí)驗(yàn)的效果。但是，在教學(xué)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)DIS用于探究式教學(xué)有其不足之處，其最大的缺點(diǎn)就是對(duì)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容的理解或形成的原因比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)作用小。再者，DIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能在給學(xué)生提供便捷的同時(shí)，也在一定程度上削弱了學(xué)生處理數(shù)據(jù)的能力。因?yàn)檎鎸?shí)的物理實(shí)驗(yàn)是在各種紛繁復(fù)雜的環(huán)境中產(chǎn)生的，需要在實(shí)驗(yàn)中去粗存精地合理估計(jì)測(cè)量，這種估計(jì)能力和近似處理的能力也是必備的基本技能，而DIS引入后學(xué)生學(xué)習(xí)和鍛煉這種能力的機(jī)會(huì)無(wú)疑減少了。所以教師需要讓學(xué)生掌握基本處理數(shù)據(jù)的方法并判斷測(cè)量值的合理性。此外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)本身也有自身的優(yōu)勢(shì)，如取材容易，實(shí)驗(yàn)成本低，實(shí)驗(yàn)原理清楚，現(xiàn)象分明，易于操作，其本身就能達(dá)到很好的實(shí)驗(yàn)效果，這時(shí)就不需要用DIS。所以DIS應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)是共存與互補(bǔ)，相輔相成，既無(wú)主次之分，更不能完全替換，是繼承與發(fā)展的關(guān)系。在物理教學(xué)過(guò)程中既要提倡DIS應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)，又不能偏廢傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)方法的學(xué)習(xí)，而應(yīng)該從教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)際出發(fā)，將兩者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，共存互補(bǔ)，才能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì) [2 ]。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐蓓蓓.物理DIS實(shí)驗(yàn)與探究式教學(xué)的整合和案例研究 [D].上海：華東師范大學(xué)，2010.

[2]余雪妹.傳感器在高中物理新課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與思考[J]. 物理教學(xué)探討， 2011（2）.